工業(yè)機器人在柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用與優(yōu)化

摘要：目前工業(yè)機器人越來越趨于智能化，通過引入大量的智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，并根據(jù)實際情況對程序進行修正，促進了工業(yè)制造生產(chǎn)活動正常有序的進行。主要介紹了工業(yè)機器人的種類和柔性生產(chǎn)線的類別，并詳細闡述了工業(yè)機器人在柔性制造系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用原理，深入分析目前存在的問題，給予工業(yè)機器人優(yōu)化改進的建議，希望可以為從業(yè)人員提供理論參考和實踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；柔性制造系統(tǒng)；應(yīng)用；優(yōu)化

一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，機械生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)也迎來前所未有的發(fā)展機遇，目前已進入現(xiàn)代制造階段，機床數(shù)控技術(shù)已取得有效突破，不斷實現(xiàn)機床加工自動化，導(dǎo)致人工勞動被自動化設(shè)備逐漸替代。在生產(chǎn)制造過程中，將工業(yè)機器人應(yīng)用于其中可以大幅度提高生產(chǎn)質(zhì)量，同時還能為生產(chǎn)效率的提高提供保障，具有良好的發(fā)展前景和廣闊的需求市場。因此深入研究機器人在柔性生產(chǎn)制造行業(yè)中的應(yīng)用具有實際價值。

二、工業(yè)機器人的分類

工業(yè)機器人根據(jù)基本結(jié)構(gòu)組成、操作方法、技術(shù)模式、應(yīng)用類型的不同可以劃分成很多種類，按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同可分為搬運、電焊、安裝、噴涂、拋光打磨等機器人。搬運機器人最為普遍，主要應(yīng)用于重物搬運、材料升降、裝配生產(chǎn)線等場合，有效降低了人為工作量，并可代替技術(shù)人員在惡劣場地下的日常工作[1]。在新能源車制造與鋼鐵冶金領(lǐng)域，電焊機器人因其高效率的生產(chǎn)能力和卓越的焊接質(zhì)量而備受矚目。水平多關(guān)節(jié)機器人，如可編程PUMA與SCARA類，以其高精度、優(yōu)良協(xié)調(diào)性和受限作業(yè)范圍，頻繁應(yīng)用于電器設(shè)備、汽車零部件、發(fā)電機、電腦、空調(diào)等裝配作業(yè)中。在制造汽車外殼、儀表等環(huán)節(jié)，液壓驅(qū)動的噴涂機器人因其高速運作與卓越的噴涂品質(zhì)，贏得了廣泛的認可與應(yīng)用。該款機器人具備離線編程功能，有效避免了現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試所導(dǎo)致的進度延誤，不僅提升了工作效率，還確保了噴涂作業(yè)的品質(zhì)。在汽車制造、鋼材生產(chǎn)及鉆石珠寶等行業(yè)，拋光打磨機器人作為常用設(shè)備，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。拋光打磨機器人在使用過程中，可以和砂拋設(shè)備協(xié)調(diào)工作，共同提高產(chǎn)品的光潔度和平整度，確保打磨質(zhì)量滿足實際要求。

三、柔性生產(chǎn)線的類別

按照節(jié)奏速度的不同，柔性生產(chǎn)線能夠劃分為流水生產(chǎn)線和非流水生產(chǎn)線，按照自主化標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為自主化生產(chǎn)線和非自主化生產(chǎn)線。生產(chǎn)自動化是柔性自動化的基礎(chǔ)。

工業(yè)機器人在自動化設(shè)備中的應(yīng)用具有協(xié)同性，自主化生產(chǎn)線系統(tǒng)已成為自主化設(shè)備的主流和未來的發(fā)展趨勢。工業(yè)機器人可以適應(yīng)中、小批量商品的生產(chǎn)，通常與數(shù)字控制機床存在緊密聯(lián)系，成為柔性制作單元或柔造體系重要構(gòu)成方面。

工業(yè)機器人能夠代替現(xiàn)場工作人員去從事工作量極大的工作和存在高風(fēng)險、環(huán)境差、強度高、危害性強的工作。工業(yè)機器人在應(yīng)用過程中能夠充分發(fā)揮潛在功能與價值，完善并改進柔性制造體系中的不足，提高其生產(chǎn)效率和質(zhì)量[2]。

柔性生產(chǎn)線作為機械生產(chǎn)運行的重要組成部分，其技藝繁瑣、自主化的體系，主動融合了微電子科學(xué)與技術(shù)、軟件工程和電氣工程等專業(yè)領(lǐng)域的知識，有效處理機械制造自動化與高柔性化生產(chǎn)之間的矛盾。

四、SCARA工業(yè)機器人工作原理

工業(yè)機器人種類繁多，其中SCARA工業(yè)機器人應(yīng)用最為常見，不僅各方面綜合性能優(yōu)良，故障率和保養(yǎng)成本也較低，成為許多柔性制造企業(yè)的首選。以下介紹了一種新型SCARA工業(yè)機器人的設(shè)計應(yīng)用原理。

相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，新一代的SCARA機器人使用的滾珠絲桿花鍵由絲桿螺母、花鍵螺母、絲桿三部分組成。由于絲桿中的鋼球在螺母與絲桿之間來回滑動，保證了其傳動的高效性，其中荷載組成為體系自重和慣性力。體系重力主要包括手腕自重和荷載重力，計算公式如下：

（1）

由牛頓第二定律可知，假設(shè)直線運動過程為勻變速直線運動，慣性力由手腕和上部荷載共同產(chǎn)生，計算公式如下：

（2）

由荷載組合定理可知，最大負載力計算如下：

（3）

式中：m3—手腕質(zhì)量；

mp—負載質(zhì)量；

K—荷載組合系數(shù)。

g—重力加速度，取9.8N/m

a—加速度（m/s2）

滾珠絲桿花鍵在設(shè)計過程中也需要考慮轉(zhuǎn)速的影響，其計算公式如下：

（4）

式中：V—軸臂直線運動速度（m/s）；

P—絲桿導(dǎo)程（m）；

n—絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）。

根據(jù)負載力的大小，還可以計算出滾珠絲桿的最大動荷載，具體如下：

（5）

（6）

式中：L0—滾珠絲桿的壽命；

T—普通機械使用壽命；

fH、fw—硬度系數(shù)、載荷系數(shù)，取值標(biāo)準(zhǔn)見表1和表2。

五、工業(yè)機器人在柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）工業(yè)機器人在電鍍打磨柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用

目前工業(yè)機器人在電鍍技術(shù)的拋光打磨柔性制造系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。該制造系統(tǒng)由多個相互影響的加工單元結(jié)合而成，每個加工單元由砂拋設(shè)備、布拋儀器、六自由度機器人以及材料更換體系組成[3]。大部分柔性加工單元中，高精確度的工業(yè)機器人夾持產(chǎn)品元件不斷靠近砂拋設(shè)備，砂拋設(shè)備選擇壓力調(diào)控機制，可以嚴(yán)格控制加工品的受力情況。在電鍍拋光工序中，布拋柔性制造儀器確保了工件表面的細致研磨，此環(huán)節(jié)對工藝至關(guān)重要，確保拋光作業(yè)中的壓力保持恒定，因其穩(wěn)定性將直接左右最終拋光品質(zhì)，高精度六自由度工業(yè)機器人被采納，旨在確保工件穩(wěn)固地附著于布拋機，在布輪電動機系統(tǒng)中，變頻器不僅負責(zé)實現(xiàn)無級速度調(diào)整，更以伺服電機為動力，巧妙調(diào)節(jié)絲杠運動，確保拋光輪與工件接觸點精確變動，進而實現(xiàn)卓越的拋光與研磨成效。

（二）工業(yè)機器人在輪轂加工領(lǐng)域的應(yīng)用

在實現(xiàn)輪轂加工單元自動化生產(chǎn)的全過程中，工業(yè)機器人扮演了舉足輕重的角色。在汽車輪轂生產(chǎn)全流程中，PLC信號扮演著至關(guān)重要的角色，其使命是促成自動化搬運的高效運作，電腦控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動裝置等核心部件構(gòu)成了機器人控制柜的核心架構(gòu)，在機器人系統(tǒng)中，電腦控制系統(tǒng)占據(jù)核心地位，必須實時處理各種突發(fā)行為，比如數(shù)據(jù)傳輸與模式轉(zhuǎn)換等。在電腦控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控下，伺服驅(qū)動裝置精確操控伺服電機，驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)運動，確保機器人自主靈活移動。總線與外界控制系統(tǒng)或設(shè)備之間，通過硬連這一方式，由I/O接口構(gòu)建起通信的橋梁。執(zhí)行示教編程任務(wù)，旨在操控機器人動作，涵蓋系統(tǒng)基礎(chǔ)操作層面，包括示教作業(yè)、參數(shù)調(diào)整、程序保存等環(huán)節(jié)。

（三）工業(yè)機器人在貨物搬運過程中的應(yīng)用

工業(yè)機器人最明顯的優(yōu)勢就是幫助人們降低工作量，取代部分機械式的體力勞動。在柔性制造系統(tǒng)中，將工業(yè)機器人應(yīng)用于搬運生產(chǎn)的現(xiàn)象極其普遍，不僅可以幫助企業(yè)節(jié)約人力成本，還能夠提高生產(chǎn)系統(tǒng)的制造效率和加工質(zhì)量[4]。

在數(shù)字機械控制不斷進展的背景下，工件運送環(huán)節(jié)的智能化與靈活性的提升顯得尤為重要，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟飛速發(fā)展，商品種類繁多，加工環(huán)節(jié)復(fù)雜，企業(yè)面臨生產(chǎn)周期短暫與庫存積壓的難題，正著力提升產(chǎn)品質(zhì)量，以迎合用戶多樣化需求。在激烈市場競爭中，制造商可通過引入智能化單機設(shè)備，借助靈活適應(yīng)性，并運用機器人搬運裝置優(yōu)化物流輸送與智能分配，從而顯著提升整體生產(chǎn)流水線與作業(yè)區(qū)域的智能化水平與適應(yīng)性，確保自身在競爭中的生存與壯大。

六、工業(yè)機器人在柔性制造領(lǐng)域優(yōu)化策略

在工業(yè)機器人設(shè)置系統(tǒng)中，其輸入輸出信號可以劃分為物理信號和邏輯信號。信號的接收直接影響編程效果，從而對柔性制造體系產(chǎn)生一定的影響。邏輯信號是從軟件側(cè)可存取的信號的總稱，物理信號是指被連接與 DC24V、工業(yè)總線等外界的輸入輸出信號的總稱。

在控制設(shè)備中，傳輸信號通常被區(qū)分為邏輯信號，可直接被應(yīng)用于機器人程序與用戶程序，邏輯信號輸入簡稱I＊＊、邏輯信號輸出即O＊＊，在邏輯運算過程中扮演著關(guān)鍵角色。物理信號的輸入對應(yīng)于X＊＊，而物理信號的輸出則由Y＊＊所標(biāo)識。程序中，物理信號的呈現(xiàn)并非必然，在物理信號向邏輯信號轉(zhuǎn)化的過程中，控制設(shè)備扮演著信號分配的角色，它將部分物理信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為邏輯信號。在技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，技術(shù)團隊對邏輯信號與物理介質(zhì)進行了優(yōu)化與映射，確保兩者間的精準(zhǔn)對應(yīng)并實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)換，從而奠定了I/O區(qū)域映射運作的核心理念。

在I/O區(qū)域映射方面，通過示教編程器，得以完成相應(yīng)的配置操作，I/O區(qū)域映射法能夠通過示教編程器進行設(shè)定。機器人運動狀態(tài)與編程方式密切相關(guān)，在人工操作的狀態(tài)下，工業(yè)機器人的行為動作會發(fā)生不同幅度的變化，同時顯示儀記錄機器人在運動過程中的關(guān)鍵節(jié)點，比如起始位置、提取物體受力點和力臂擺動最大撓度等。智能控制設(shè)備可以利用掃描技術(shù)測量出相鄰動作點之間的直線速度，判斷其運動狀態(tài)，分析計算出運動所持續(xù)的時間。通過長時間的觀察與分析，技術(shù)人員根據(jù)目前機器人的運動狀態(tài)能夠預(yù)測機器人下段時間的運動趨勢。編輯完成的程序能夠通過I/O信號來執(zhí)行，并將運行結(jié)果儲存于機器人系統(tǒng)。

人工編程控制機器人的基礎(chǔ)是熟悉工業(yè)機器人的運動坐標(biāo)系。工業(yè)機器人的運動坐標(biāo)系分為軸坐標(biāo)、機械坐標(biāo)和工具坐標(biāo)，熟練掌握工業(yè)機器人在不同坐標(biāo)系下的動作方向是至關(guān)重要的。

通常而言，該工業(yè)機器裝配有六個軸。在軸坐標(biāo)系統(tǒng)之下，利用示教編程器獨立操控各軸的基本動作，從而顯現(xiàn)該機器人個體在特定坐標(biāo)系內(nèi)的動態(tài)表現(xiàn)。在機械坐標(biāo)與軸坐標(biāo)系統(tǒng)的差異中，工業(yè)機器人的整體運動，實際上是由多個軸的部分運動匯聚而成，這種運動的綜合形式，可以進一步細分為直線、圓周以及不規(guī)則蜿蜒曲線三種基本趨勢[5]。在對工業(yè)機器人生動參數(shù)進行設(shè)定時，這些坐標(biāo)系往往是首選，具體步驟如下：

第1步驟，選用合適的示教方法。

第2步驟，手動輸入正確的程序代碼。

第3步驟，記錄移動代碼指令。手動操作將工業(yè)機器人移至記錄點，按下記錄按鈕，通過信息處理技術(shù)將全過程記錄儲存下來，并設(shè)定重復(fù)命令，反復(fù)記錄關(guān)鍵步驟。此外，還需記錄應(yīng)用命令。應(yīng)用命令包括將信號輸出到外部、等待輸入信號、程序調(diào)用等非移動命令。

第4步驟，程序運行結(jié)束后，記錄終止命令。

第5步驟，完成示教確認工序。依次反復(fù)檢查記錄步驟，核對記錄位置與工業(yè)機器人實際運動軌跡是否一致。

第6步驟，完成示教內(nèi)容修改調(diào)整工作。若檢查記錄步驟存在錯誤，技術(shù)人員可以在系統(tǒng)設(shè)置模塊進行增加和刪減操作，促進后續(xù)工作的順利進行。

如圖1所示，編程優(yōu)化后的工業(yè)機器人在運動過程中的全過程都形成了各點相互連接的軌跡曲線，自第1步驟依次移動至第5步驟，并記錄第2、3、4步驟停留的具體位置，在第6步驟，為使其與第1步驟位置相同，進行記錄位置的閉合，依次反復(fù)，形成循環(huán)性和周期性。因此，工業(yè)機器人的創(chuàng)新與優(yōu)化工作對柔性制造業(yè)具有重要作用。

七、未來發(fā)展前景

在國民經(jīng)濟飛速發(fā)展以及制造行業(yè)高質(zhì)量進步的背景下，工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍也在不斷拓寬。目前而言，技術(shù)人員應(yīng)注重各類新型技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化，從而滿足各種項目的應(yīng)用需求，尤其是多自由度、多功能機器人的開發(fā)與研究，需要引起技術(shù)研發(fā)人員的高度重視。此外，機械運行速度和實際操作精度也需要提高，合理設(shè)置工業(yè)機器人的質(zhì)量、體積和工作區(qū)域，同時機器人的功能使用模塊也必須實現(xiàn)高度科學(xué)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化。

針對感覺傳感器和溫度檢測元件的生產(chǎn)，企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強技術(shù)人員的研發(fā)力度，不但要從本質(zhì)上延長傳感器元件的最大使用壽命，還要能夠進一步提高檢測結(jié)果的精確度，為機械生產(chǎn)制造創(chuàng)造有利條件。

八、結(jié)語

綜上所述，工業(yè)機器人在柔性制造系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，不僅能夠從根本上提高制造效率和生產(chǎn)質(zhì)量，還能最大限度地節(jié)約開支，降低人工工作量和勞動力的使用，同時還可以取代工作人員從事有毒有害的工作。經(jīng)過多年的發(fā)展，工業(yè)機器人種類繁多，SCARA工業(yè)機器人應(yīng)用非常普遍，在設(shè)計過程中，確保各項指標(biāo)可以滿足柔性制造體系的實際需求。工業(yè)機器人在電鍍產(chǎn)品拋光打磨領(lǐng)域和輪轂加工方面得到有效應(yīng)用，為企業(yè)節(jié)約了大量的人工勞動力和設(shè)備，同時創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益。后續(xù)改造過程中需要從信號編程方面入手，根據(jù)智能坐標(biāo)系統(tǒng)來為機器人系統(tǒng)編程優(yōu)化工作提供指導(dǎo)，工業(yè)機器人不斷優(yōu)化更新也對國民經(jīng)濟的提升具有重要意義，未來擁有良好的發(fā)展前景和改進空間。

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基金項目：1.2023年福建省自然科學(xué)基金項目（青年創(chuàng)新項目）“高速長壽命滾珠直線導(dǎo)軌自適應(yīng)定向潤滑機理研究”（項目編號：2023J01248）；2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師科研創(chuàng)新團隊“精密機械功能部件智能制造科研創(chuàng)新團隊”（項目編號：zzyt23002）

作者單位：漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院

責(zé)任編輯：王穎振 鄭凱津